PT2225822E

PT2225822E - Sistema de controlo e método para controlar um conversor elevador de tensão sem ponte

Info

Publication number: PT2225822E
Application number: PT08854373T
Authority: PT
Inventors: Erik Myhre
Original assignee: Eltek Valere As
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2012-10-23
Also published as: WO2009070031A1; EP2225822B2; DK2225822T3; ES2392374T3; GB0723402D0; EP2225822B1; GB2455128A; PL2225822T3; GB2455128B; EP2225822A1; HRP20120836T1; SI2225822T1

Description

DESCRIÇÃO "SISTEMA DE CONTROLO E MÉTODO PARA CONTROLAR UM CONVERSOR ELEVADOR DE TENSÃO SEM PONTE"

CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a um sistema de controlo e a um método para controlar um conversor elevador de tensão sem ponte.

TÉCNICA ANTERIOR

Conhecem-se vários tipos de conversores para utilização em sistemas de fornecimento de energia, onde existe uma necessidade de converter uma energia CA numa energia CC controlada. A energia CA será fornecida, habitualmente, a partir de uma fonte de energia CA, tal como a rede eléctrica. A corrente CC é fornecida para um equipamento, tal como equipamento de telecomunicações, equipamento de comunicação de dados de banda larga, equipamento militar, equipamento médico, etc.

Os requisitos para a energia CC podem variar, mas, habitualmente, é importante manter a tensão CC dentro de certos limites e proteger, igualmente, o lado CC de irregularidades na tensão/corrente no lado CA.

Conhecem-se vários desses conversores. Por exemplo, mostra-se e descreve-se um conversor elevador de tensão em "Power 1

Electronics: converters, applications, and design", 2a ed., de Mohan, Undeland e Robbins no capitulo 7-4. 0 documento US 2006/220628 descreve um circuito e método para melhorar a detecção de corrente num conversor elevador de tensão PFC sem ponte. Os transformadores de corrente utilizam-se como sensores de corrente. LU B et al: "Bridgeless PFC implementation using one cycle control technique", APPLIED POWER ELECTRONICS CONFERENCE AND EXPOSITION, APEC 2005, AUSTIN, TX, USA 6-10 de Março de 2005, PISCATAWAY, NJ, USA, IEEE, Vol. 2, 6 de Março de 2005, páginas 812-817, descreve uma implementação de um conversor elevador de tensão sem ponte. O documento US 2006/198172 Al descreve um outro conversor elevador de tensão sem ponte com circuito PFC. O documento US-A-4 412 277 descreve um conversor CA/CC e controlo do conversor por meio de um sinal de controlo.

Os sistemas de fornecimento de energia utilizados actualmente têm um rendimento de energia de aproximadamente 88-92%, dependendo de vários aspectos, tais como desvio dos intervalos de operação nominais, configurações, campo de utilização, etc. Devido a aspectos ambientais e, igualmente, ao aumento dos custos de energia, existe uma procura crescente para sistemas de fornecimento de energia com um rendimento de energia melhorado. O sistema de controlo controla os interruptores no sistema de fornecimento de energia com base em parâmetros, tais como medições de valores de tensão e corrente no sistema de 2 fornecimento de energia. 0 funcionamento do sistema de controlo tem uma grande influência no desempenho total do sistema de fornecimento de energia.

Num conversor elevador de tensão sem ponte, é um desafio medir a corrente de entrada CA de um modo económico. A razão para medir a corrente de entrada CA, é poder controlar a corrente de entrada CA, de modo a que possua substancialmente a mesma fase e a mesma forma de onda que a tensão de entrada CA. 0 objectivo da invenção é proporcionar um sistema de controlo e um método para controlar um conversor elevador de tensão sem ponte. De um modo mais específico, é um objectivo proporcionar um sistema de controlo e um método para controlar a fase da corrente de entrada e a forma de onda de um conversor elevador de tensão sem ponte.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a um sistema de controlo para controlar um conversor elevador de tensão sem ponte, compreendendo: - uma primeira unidade de medição medindo um primeiro valor representando uma primeira corrente através de um primeiro interruptor elevador de tensão do conversor elevador de tensão sem fonte; uma segunda unidade de medição medindo um segundo valor representando uma segunda corrente através de um segundo 3 interruptor elevador de tensão do conversor elevador de tensão sem ponte; uma terceira unidade de medição de corrente medindo um terceiro valor representando uma terceira corrente representando a soma das correntes através dos componentes de um sistema de estabilização, em que o sistema de estabilização compreende uma primeira impedância ou um primeiro díodo de estabilização, ligada o entre um terceiro nó e um primeiro terminal de entrada CA e uma segunda impedância ou um segundo díodo de estabilização ligada o entre o terceiro nó e um segundo terminal de entrada CA; - em que se calcula um sinal up medido por meio da primeira, segunda e terceira correntes, em que se forma um sinal de referência representando a tensão Vac de entrada e em que o sinal up medido e o sinal de referência representando a tensão Vac de entrada são introduzidos no sistema de controlo para controlar os interruptores, de modo a que o sinal up medido esteja substancialmente em fase com o sinal de referência representando a tensão Vac de entrada.

Num aspecto, a primeira unidade de medição é uma primeira resistência, a segunda unidade de medição é uma segunda resistência e a terceira unidade de medição é uma terceira resistência.

Num aspecto, o primeiro valor é medido como a primeira corrente através da primeira resistência, o segundo valor é medido como a segunda corrente através da segunda resistência, o terceiro valor é medido como a terceira corrente através da terceira resistência, com que o sinal up medido é calculado como 4 o valor máximo da corrente através da primeira resistência mais a corrente através da terceira resistência ou da corrente através da segunda resistência mais a corrente através da terceira resistência.

Num aspecto, o primeiro valor é medido como a tensão VRsi através de uma primeira resistência, o segundo valor é medido como a tensão através de uma segunda resistência e o terceiro valor é medido como a tensão através de uma terceira resistência, em que o sinal up medido é calculado como o valor máximo da soma, com sinal oposto, da tensão através da primeira resistência e da tensão através da terceira resistência ou da soma, com sinal oposto, da tensão através da segunda resistência e da tensão através da terceira resistência.

Num aspecto, o sinal de referência é proporcionado como uma representação rectificada de onda completa da tensão Vac de entrada por meio de um rectificador em ponte de onda completa. A invenção refere-se, igualmente, a um método para controlar um conversor elevador de tensão sem ponte, compreendendo: a medição de um primeiro valor representando a corrente através de um primeiro interruptor elevador de tensão do conversor elevador de tensão sem ponte; - a medição de um segundo valor representando a corrente através do segundo interruptor elevador de tensão do conversor elevador de tensão sem ponte; 5 - a medição de um terceiro valor representando uma terceira corrente representando a soma das correntes através dos componentes de um sistema de estabilização, em que o sistema de estabilização compreende uma primeira impedância ou um primeiro díodo de estabilização, ligada o entre um terceiro nó e um primeiro terminal de entrada CA e uma segunda impedância ou um segundo díodo de estabilização, ligada o entre o terceiro nó e um segundo terminal de entrada CA; - o cálculo de um sinal up medido por meio da primeira, segunda e terceira corrente, - a formação de um sinal de referência representando a tensão Vac de entrada, - a introdução do sinal up medido e do sinal de referência no sistema de controlo para controlar os interruptores, de modo a que o sinal up medido esteja substancialmente em fase com o sinal de referência representando a tensão Vac de entrada.

Num aspecto, o primeiro valor é medido como a primeira corrente IRsi através de uma primeira resistência, o segundo valor é medido como a segunda corrente IRs2 através de uma segunda resistência, o terceiro valor é medido como a terceira corrente IRs3 através de uma terceira resistência, em que o sinal up medido é calculado como o valor máximo da corrente através da primeira resistência mais a corrente através da terceira resistência ou da corrente através da segunda resistência mais a corrente através da terceira resistência.

Num aspecto, o primeiro valor é medido como a tensão VRsi através de uma primeira resistência, o segundo valor é medido 6 como a tensão VRS2 através de uma segunda resistência e o terceiro valor é medido como a tensão VRs3 através de uma terceira resistência, em que o sinal up medido é calculado como o valor máximo da soma, com sinal oposto, da tensão através da primeira resistência e da tensão através da terceira resistência ou da soma, com sinal oposto, da tensão através da segunda resistência e da tensão através da terceira resistência.

Num aspecto, o sinal de referência é proporcionado como uma representação rectificada de onda completa da tensão Vac de entrada por meio de um rectificador em ponte de onda completa.

DESCRIÇÃO PORMENORIZADA

Descrever-se-ão, agora, formas de realização da invenção, com referência aos desenhos anexos, em que: A Fig. 1 ilustra uma primeira forma de realização do conversor elevador de tensão com elementos de medição; A Fig. 2 ilustra uma segunda forma de realização do conversor elevador de tensão com elementos de medição;

A Fig. 3 ilustra o fluxo de corrente da forma de realização da fig. 2, durante um meio período de tensão de entrada CA positiva no estado LIGADO; A Fig. 4 ilustra o fluxo da fig. 2, durante um meio positiva no estado DESLIGADO;

de corrente da forma de realização período de tensão de entrada CA 7 A Fig. 5 ilustra um diagrama de blocos do sistema de controlo e sinais de entrada; A Fig. 6 ilustra o cálculo do sinal Up gue é introduzido no sistema de controlo, em que o sinal é baseado nas medições de corrente; e A Fig. 7 ilustra o cálculo do sinal Up que é introduzido no sistema de controlo, em que o sinal é baseado em medições de tensão.

Faz-se agora referência à fig. 1. Um conversor elevador de tensão sem ponte compreende um primeiro indutor LI elevador de tensão ligado entre um primeiro terminal de entrada CA e um primeiro nó 1, e um segundo indutor L2 elevador de tensão ligado entre um segundo terminal de entrada CA e um segundo nó 2.

Um primeiro díodo Dbl elevador de tensão está ligado entre o primeiro nó 1 e o terminal Obp de saída positivo, e um segundo díodo Db2 elevador de tensão está ligado entre o segundo nó 2 e o terminal Obp de saída positivo.

Um primeiro interruptor Sbl elevador de tensão está ligado em série com uma primeira unidade de medição, por exemplo, uma primeira resistência Rsl de medição, entre o primeiro nó 1 e um terminal Obn de saida negativo.

Um segundo interruptor Sb2 elevador de tensão está ligado em série com uma segunda unidade de medição, por exemplo, uma segunda resistência Rs2 de medição, entre o segundo nó 2 e um terminal Obn de saída negativo.

Um condensador Cb está ligado entre o terminal Obp de saída positivo e o terminal Obn de saída negativo.

Uma terceira unidade de medição, por exemplo, uma terceira resistência Rs3 de medição, está ligada entre o terminal Obn de saída negativo e um terceiro nó 3. A primeira, segunda e terceira unidades de medição formam um sistema de medição, indicado por um rectângulo ponteado na fig. 1.

Um sistema de estabilização indicado por um rectângulo ponteado na fig. 1, compreende uma primeira impedância Zsl ligada entre o terceiro nó 3 e o primeiro terminal de entrada CA, e uma segunda impedância Zs2 ligada entre o terceiro nó 3 e o segundo terminal de entrada CA.

Numa forma de realização alternativa, mostrada na fig. 2, o sistema de estabilização compreende um primeiro díodo Dstabl de estabilização ligado entre o terceiro nó 3 e o primeiro terminal de entrada CA, e um segundo díodo de estabilização ligado entre o terceiro nó 3 e o segundo terminal de entrada CA. São, igualmente, possíveis outras formas de realização alternativas do sistema de estabilização. A função do sistema de estabilização está descrita com pormenor nos pedidos de patente co-pendentes GB 0721420.8 e GB 0721413.3.

Na fig. 3 e na fig. 4, mostra-se o modo como a corrente flui durante um meio período de tensão de entrada CA positiva, quando os interruptores estão no estado LIGADO e no estado DESLIGADO, respectivamente. Como se mostra, os interruptores são MOSFET com díodos intrínsecos. Alternativamente, os 9 interruptores são outros tipos de interruptores com díodos intrínsecos ou interruptores ligados em paralelo com díodos anti-paralelo. Um exemplo de interruptores alternativos, são os IGBT ligados em paralelo com díodos anti-paralelo.

Como se mostra na fig. 3 e na fig. 4, a primeira unidade de medição mede um valor representando a corrente através do primeiro interruptor Sbl, enquanto a segunda unidade de medição mede um valor representando a corrente através do segundo interruptor Sb2. Além disso, a terceira unidade de medição mede um valor que representa a soma das correntes através dos componentes do sistema de estabilização.

Como se ilustra na fig. 5, as medições da primeira, segunda e terceira unidades de medição são introduzidas num sistema de controlo, ilustrado pelo sinal up de entrada. 0 sinal up de entrada é calculado como up = MAX[(IRsi + IRs3) ; (IrS2 + IrS3) ] , que é o valor máximo da corrente IrsI através da primeira resistência Rsl mais a corrente Irs3 através da terceira resistência Rs3 ou da corrente Irs2 através da segunda resistência Rs2 mais a corrente Irs3 através da terceira resistência Rs3. Mostra-se , na fig. 6, o cálculo do sinal up de entrada. Evidentemente, os elementos para cálculo do sinal up de entrada seriam considerados, normalmente, como uma parte do sistema de controlo, i. e., os sinais das respectivas unidades de medição seriam uma entrada directa para o sistema de controlo. A tensão Vac é introduzida, igualmente, no sistema de controlo, como se ilustra na fig. 5. A tensão Vac é medida por meio de uma ponte de díodos, i. e., introduzem-se apenas os valores positivos da tensão Vac no sistema de controlo. 10 0 sistema de controlo fornece sinais de controlo para LIGAR e DESLIGAR os interruptores Sbl e Sb2. As medições anteriores, i. e., o sinal up e Vac, são utilizadas pelo sistema de controlo para controlar os interruptores, de modo a que a corrente CA esteja substancialmente em fase com a tensão CA e/ou possua a mesma forma de onda que a tensão de entrada CA, um requisito comum para conversores. A tensão Vac utiliza-se, em seguida, como um valor de referência, e o sinal up de entrada é o valor medido, em que o sistema de controlo controla os interruptores, de modo a que o sinal up de entrada seja substancialmente igual ao valor de referência.

Além disso, existe um outro sistema de controlo que modula a amplitude da corrente CA de entrada de forma a proporcionar um nivel de tensão de saída correcto, que é a diferença de tensão entre o terminal Obp de saída positivo e o terminal Obn de saída negativo. Este princípio é conhecido dos especialistas na técnica e não continuará a ser descrito neste documento.

Numa forma de realização alternativa, o sinal up de entrada pode ser calculado por meio das tensões VRsi, VRs2, VRs3 através das resistências respectivas Rsl, Rs2, Rs3 em vez da corrente através das mesmas. Isto está ilustrado na fig. 7. Como ilustrado, as medições da primeira, segunda e terceira unidades de medição são introduzidas num sistema de controlo, ilustrado pelo sinal up de entrada. 0 sinal up de entrada é calculado como up = MAX [ (VRsl + VRs3), (VRs2 + VRs3)], que é o valor máximo da soma, com sinal oposto, da tensão VRsl através da primeira resistência Rsl e da tensão VRs3 através da terceira resistência Rs3 ou da soma, com sinal oposto, da tensão VRs2 através da segunda resistência Rs2 e da tensão VRs3 através da terceira resistência Rs3. 11

Outras modificações e variações serão evidentes para um especialista da anterior, sendo reivindicações que técnica, quando da leitura da descrição o âmbito da invenção definido pelas se seguem.

Lisboa, 15 de Outubro de 2012 12

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Sistema de controlo para controlar um conversor elevador de tensão sem ponte, compreendendo: - uma primeira unidade de medição medindo um primeiro valor representando uma primeira corrente através de um primeiro interruptor (Sbl) elevador de tensão do conversor elevador de tensão sem ponte; - uma segunda unidade de medição medindo um segundo valor representando uma segunda corrente através de um segundo interruptor (Sb2) elevador de tensão do conversor elevador de tensão sem ponte; - uma terceira unidade de medição de corrente medindo um terceiro valor representando uma terceira corrente que representa a soma das correntes através dos componentes de um sistema de estabilização, em que o sistema de estabilização compreende uma primeira impedância (Zsl) ou um primeiro díodo (Dstabl) de estabilização, ligada o entre um terceiro nó (3) e um primeiro terminal de entrada CA, e uma segunda impedância (Zs2) ou um segundo díodo (Dstab2) de estabilização, ligada o entre o terceiro nodo (3) e um segundo terminal de entrada CA; em que se calcula um sinal up medido por meio da primeira, segunda e terceira correntes, em que se forma um sinal de referência representando a tensão Vac de entrada, e em que o sinal up medido e o sinal de referência representando a tensão Vac de entrada são introduzidos no sistema de 1 controlo para controlar os interruptores (Sbl, Sb2), de modo a que o sinal up medido esteja substancialmente em fase com o sinal de referência representando a tensão Vac de entrada.
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, em que a primeira unidade de medição é uma primeira resistência (Rsl), a sequnda unidade de medição é uma segunda resistência (Rs2) e a terceira unidade de medição é uma terceira resistência (Rs3).
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, em que o primeiro valor é medido como a primeira corrente (IRsi) através da primeira resistência (Rsl), o segundo valor é medido como a segunda corrente (IRS2) através da segunda resistência (Rs2), o terceiro valor é medido como a terceira corrente (IRs3) através da terceira resistência (Rs3), em que o sinal up medido é calculado como o valor máximo da corrente (IRsi) através da primeira resistência (Rsl) mais a corrente ( Irs3 ) através da terceira resistência (Rs3) ou da corrente (IRS2) através da segunda resistência (Rs2) mais a corrente (IRs3) através da terceira resistência (Rs3) .
4. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, em que o primeiro valor é medido como a tensão VRsi através de uma primeira resistência (Rsl), o segundo valor é medido como a tensão (VRS2) através de uma segunda resistência (Rs2) e o terceiro valor é medido como a tensão (VRs3) através de uma terceira resistência (Rs3), em que o sinal up medido é calculado como o valor máximo da soma, com sinal oposto, da tensão (VRsi) através da primeira resistência (Rsl) e da tensão (VRs3) através da terceira resistência (Rs3) ou da 2 soma, com sinal oposto, da tensão (VRs2) através da segunda resistência (Rs2) e da tensão (VRs3) através da terceira resistência (Rs3).
5. Sistema, de acordo com qualquer das reivindicações 1-4, em que o sinal de referência é proporcionado como uma representação rectificada de onda completa da tensão Vac de entrada por meio de um rectificador em ponte de onda completa.
6. Método de controlo de um conversor elevador de tensão sem ponte, compreendendo: - a medição de um primeiro valor representando esenta a corrente através de um primeiro interruptor (Sbl) elevador de tensão do conversor elevador de tensão sem ponte; - a medição de um segundo valor representando a corrente através do segundo interruptor (Sb2) elevador de tensão do conversor elevador de tensão sem ponte; - a medição de um terceiro valor representando uma terceira corrente representando a soma das correntes através dos componentes de um sistema de estabilização, em que o sistema de estabilização compreende uma primeira impedância (Zsl) ou um primeiro díodo (Dstabl) de estabilização, ligada o entre um terceiro nó (3) e um primeiro terminal de entrada CA e uma segunda impedância (Zs2) ou um segundo díodo (Dstab2) de estabilização ligada o entre o terceiro nó (3) e um segundo terminal de entrada CA; - o cálculo de um sinal up medido por meio da primeira, segunda e terceira correntes, 3 - a formação de um sinal de referência representando a tensão Vac de entrada, - a introdução do sinal up medido e do sinal de referência no sistema de controlo para controlar os interruptores (Sbl, Sb2), de modo a que, o sinal up medido esteja substancialmente em fase com o sinal de referência representando a tensão Vac de entrada. Método, de acordo com a reivindicação 6, em que o primeiro valor é medido como a primeira corrente IRsi através de uma primeira resistência (Rsl), o segundo valor é medido como a segunda corrente Irs2 através de uma segunda resistência (Rs2), o terceiro valor é medido como a terceira corrente Irs3 através de uma terceira resistência (Rs3), em que o sinal up medido é calculado como o valor máximo da corrente (Irsi) através da primeira resistência (Rsl) mais a corrente (IRs3) através da terceira resistência (Rs3) ou da corrente (IRs2) através da segunda resistência (Rs2) mais a corrente (IRs3) através da terceira resistência (Rs3) . Método, de acordo com a reivindicação 6, em que o primeiro valor é medido como a tensão VRsi através de uma primeira resistência (Rsl), o segundo valor é medido como a tensão VRS2 através de uma segunda resistência (Rs2) e o terceiro valor é medido como a tensão VRs3 através de uma terceira resistência (Rs3), em que o sinal up medido é calculado como o valor máximo da soma, com sinal oposto, da tensão (VRsl) através da primeira resistência (Rsl) e da tensão (VRs3) através da terceira resistência (Rs3) ou da soma, com sinal oposto, da tensão (VRS2) através da segunda resistência (Rs2) e da tensão (VRs3) através da terceira resistência (Rs3) . 3 6-8, em como uma ão Vac de de onda
9. Método, de acordo com qualquer das reivindicaçõe que o sinal de referência é proporcionado representação rectificada de onda completa da tens entrada por meio de um rectificador em ponte completa. Lisboa, 15 de Outubro de 2012 5